水产养殖环境无线网络智能监控系统

周旋+包罗清+王荣扬

【摘要】养殖户可以通过对水质的检测掌握水产品是否处于最佳的生存环境，从而对水质作出相应的调整，使水产品生长在最佳水质中。本文采用单片机和Zigbee设计了无线智能监控系统，将Zigbee技术与GPGS/GSM通信技术融合，将采集数据的分析结果直接发到智能手机终端，让养殖户能随时随地掌握养殖池的实际情况。本监控系统可以应用于工厂化水产养殖中，为水产养殖的高产量、大规模、低成本、低能耗、高质量的目标提供技术支持。

【关键词】水产养殖环境；无线网络；智能监控系统

1水产养殖监控系统研究现况

水产养殖业正从分散式、个体式养殖向着集约化、工厂化、智能化、产业化模式方向升级，导致水产养殖工厂内有着大量的水产养殖池，往往能达到几十个，这样的情况下，要想人工去监测各个养殖池内的水质参数，将非常慢且耗力大，因此分散监测，集中操作，分级管理的控制模式将解决这一问题，同时对几个甚至数几十个不同养殖池的水质参数进行监控，实现对养殖池的实时监控[1]。近年来，经过国内大量科学家的潜心研究，研究成果分为如下三类进行讨论。

1.1基于RS232／RS485网络协议的分布式控制系统

此类控制方法具有设备简单、通信距离远、低成本和开放性等优势，是早期水产养殖测控系统优先选择的设计模式[1]。

１．２基于现场总线技术的分布式控制系统

上海交通大学的池涛等人[2]设计了基于现场总显得现代化水产养殖基地智能监控系统，在每个育苗车间布置一个采样点，能够在线采集pH值、DO、温度、盐度、ORP、光照等6个传感器参数。但是本系统存在产品单一和价格昂贵的缺点。江苏大学的马丛国等人[3]采用Profibus和Internet技术相结合设计了多变量模糊前反馈解耦控制水产养殖过程智能监控系统，本系统实现了水产养殖过程的智能控制盒信息共享，系统实现了溶氧量、温度、pH值、水位等参数的采集和相应的闭环控制，实践证明其具有现实意义。

１．３基于无线网络的水产养殖监控系统国内外研究现状

南京工业大学的李新慧等人[4]开发了基于CC2530的水产养殖监控系统，本系统通过无线网络实现了传感器节点与协调器节点之间的数据准确传输，产品具有低功耗，完成参数采集、处理与显示。但其存在如下缺点，协调器与上位机之间的传输还是采用总线形式，从根本上说其还没有完成传感器组网，智能远程集散控制，同时其仅仅考虑了参数的采集，并没有形成闭环控制，需要人工完成养殖池参数调节。

2监控系统存在的问题及解决办法

2.1存在的问题

传统监控系统大多数为有线方式，大多数是采现场总线和集散控制总线等方式居多，随着科技的发展，无线监控方式也越来越多，但是他们也存在一些缺陷需要解决。

1）现场总线和集散控制方法具有布线繁琐，不利于系统布局变动和维护成本高，无法适应养殖场所规模的变化的现状。

2）现场总线和集散控制方法线路易被破坏和腐蚀，系统可靠性差、维护成本高，同时远程监控范围受限。

3）对于还未使用水质监控系统的养殖场，其成本高，对于一些交通不便的养殖场，需要检测人员长期驻守，耗费大量的人力和物力。

4）获得水质参数情况不及时，对于大型、分散的养殖场，要获取全部水质参数将花费大量时间，且水质参数的变化有时并不是一个积累的过程，再加上投放饲料、代谢等均会造成水质参数的变化，空气状态也影响养殖池环境的变化。

5）现有水产养殖水质监控系统没有考虑养殖废水处理问题、循环封闭养殖问题；且监控参数有限，无法准确反映养殖场内水质参数的变化。

2.2上述缺陷的解决办法

1）采用成本低廉、部署方便、组网灵活、覆盖面广的无线传感器网络监控系统，可以方便对养殖池水环境数据进行采集、传输、控制，同时易实现远程实时监控，满足集约化、网络化、数字化水产养殖方向。

2）采用Labview实现数据的实时采集和分析任务，Labview提供了强大的数学分析能力，可以更好的满足数据处理要求（相对于C程序来说），同时节省时间，修改方便。

3）数据集中器到中央控制器之间的传输采用GPRS方式完成，这样可以大量的节省电缆线，不限方便。

4）探讨封闭式循环水养殖技术，封闭式循环水养殖技术将将水处理净化与水产养殖技术充分结合，定期补充水量，基本不外排养殖废水。封闭式循环水养殖是近期全世界重点发展的应用现代工业技术的资源节约型养殖模式，具有高产、优质、高效、节能、环保的优点。

3无线检测系统设计

本检测系统主要包括数据采集器设计、执行器设计、养殖废水处理器设计、单养殖池控制系统设计及远程控制系统设计等部分。如图1所示，控制系统硬件由数据采集输入部分、执行器部分及废水处理节点3部分组成：数据采集输入部分主要完成溶氧量、温度、盐度、氨氮、pH值和水位等环境因子的检测，将系统实时采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的数字量和模拟量，并由计算机进行处理；执行器部分主要根据数据采集输入的信息的结果完成自动增氧、冷热水电磁阀门的开关、风机的转速、PH值电磁阀门的开关、供水出水阀门等，保持养殖池内水环境参数与理论设定值的参数一致；废除处理部分主要完成养殖池水的处理，使排放的养殖废水达到国家规定的标准，减少环境污染，同时研究养殖池水的循环利用。

图 1监控系统总体框图

3.1数据采集器节点设计

数据采集器是无线传感器网络的基本元素，不仅具有采集养殖池环境参数和良好的界面显示功能，还可以作为无线传感器网络的节点，如下图2所示。在数据采集器节点中，温度传感器、溶氧量传感器、PH值传感器、水位传感器、湿度传感器、氨氮传感器、盐度传感器等将采集到的模拟数据通过信号调理电路进行去干扰和电压整定，采用CC2530芯片内部集成的ADC转换器，将采集的模拟数据转换为系统能识别的数字数据，CC2530芯片的增强型8051处理器接收到ADC转换的数字信号后，在8051处理器中进行处理，将处理结果被送入CC2530芯片的Zigbee无线单元。该单元具有在zigbee网络内进行数据的发送与接收功能。图3所示为 CC2530控制器外部控制图。

图2数据采集器节点设计

图3CC2530控制器外部控制图

3.2执行器件节点设计

执行器件节点是无线传感器网络的基本元素之一，其既可以作为执行器件工作信号接收站，又可以作为无线传感器网络的节点。如下图4所示。将数据采集器采集的传感器水质参数与标准设定参数进行比较，当采集的参数偏离理论值时，8051控制器控制热水阀、冷水阀、水泵、酸性电磁阀、增氧机及碱性电磁阀工作。在控制模块与执行器模块之间采用光电隔离模块，从而避免强电对无线处理模块的干扰。设计中采用了5个I/O口作为控制信号，可以直接控制5路设备工作，根据具体实际情况，可以扩展I/O接口电路，从而控制更多的设备。

图4执行器件节点设计

3.3汇聚节点设计

汇聚节点在整个无线传感监控网络中起到一个承上启下的作用，在每个养殖池附近设置一处汇聚节点，将无线传感器节点传送回来的数据进行汇拢，再将汇拢处理的数据通过GPRS发送到远程监控中心。同时在汇聚节点的控制器对接收的数据进行处理，通过LCD实时显示在养殖池旁边，当数据值超过设定值后便启动报警装置报警，工作人员便于人为干预养殖池环境因子。

汇聚节点由一块CC2350芯片模块、电源模块、GPRS模块、显示装置、报警装置组成，CC2350芯片模块通过RS232总线与GPRS模块，汇聚节点的任务收集各个分散的簇头发送来的无线数据信号，进行解调，最终上传给监控中心的计算机，如图5所示。

根据算法运算得到控制信号，下传给各个控制节点。然后控制节点根据控制信号去驱动继电器或者D/A转换器，从而使执行机构运动，达到养殖池水体环境因子的闭环控制。

图5汇聚节点设计

3.4 远程监控中心设计

在远程监控中心处有一个与汇聚节点配对的GPRS模块，此处的GPRS模块接收数据，通过串口上传给上位机，上位机对采集的数据进行实时处理，根据处理结果进行显示、报警、存储等。

监控中心计算机监控软件采用LABVIEW语言编写，直接调用Labview函数，具有编码灵活、界面美观、操作简单、扩展性好、数学处理能力强等优点。监控软件实时显示PH值、溶氧量、温度的参数数值，并以数值的形式实时显示，且能以曲线的形式表达某段时间的数据。采用PID算法对数据进行处理，得到控制信号，并自动进行报警。

4总结

本监控系统通过自动监控养殖环境的变化，以降低电力消耗和人工操作难度，实时改善养殖环境，降低水产品（鱼类、虾类、蟹类等）疾病所造成的损失，减少死亡率。做到通过对水质的监控、调节来改善水产养殖环境的目的。 通过机电技术控制增氧机、水泵、电磁阀门等机械设备，自动调节养殖水域的含氧量、盐度、氨氮含量、水循环及温度变化，使得养殖水域水质因子适合养殖物得得生长，加速水中物质的分解和循环。通过化学水处理技术调节水域含氮量、PH值等参数，控制单细胞藻类数量以改变水质，增加水产品产量，减少水中污染物的向外排放。本文采用单片机和Zigbee设计了无线智能监控系统，将Zigbee技术与GPGS/GSM通信技术融合，将采集数据的分析结果直接发到智能手机终端，让养殖户能随时随地掌握养殖池的实际情况。本监控系统可以应用于工厂化水产养殖中，为水产养殖的高产量、大规模、低成本、低能耗、高质量的目标提供技术支持。

【参考文献】

［１］刘星桥.水产养殖数字化监测与控制系统关键技术的研究[D].江苏大学，2009，6．

［２］池涛，陈明.基于现场总线的现代化水产养殖基地智能监控系统[J].机电一体化，2009(9):37-37.

［３］马从国，赵德安，秦云，等.基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统[J].农业机械学报，2007，38(8):113-119.

［４］李新慧,俞阿龙,潘苗.基于CC2530的水产养殖监控系统设计[J].传感器与微系统，2013，32(3):85-88.

［责任编辑：薛俊歌］

【摘要】养殖户可以通过对水质的检测掌握水产品是否处于最佳的生存环境，从而对水质作出相应的调整，使水产品生长在最佳水质中。本文采用单片机和Zigbee设计了无线智能监控系统，将Zigbee技术与GPGS/GSM通信技术融合，将采集数据的分析结果直接发到智能手机终端，让养殖户能随时随地掌握养殖池的实际情况。本监控系统可以应用于工厂化水产养殖中，为水产养殖的高产量、大规模、低成本、低能耗、高质量的目标提供技术支持。

【关键词】水产养殖环境；无线网络；智能监控系统

1水产养殖监控系统研究现况

水产养殖业正从分散式、个体式养殖向着集约化、工厂化、智能化、产业化模式方向升级，导致水产养殖工厂内有着大量的水产养殖池，往往能达到几十个，这样的情况下，要想人工去监测各个养殖池内的水质参数，将非常慢且耗力大，因此分散监测，集中操作，分级管理的控制模式将解决这一问题，同时对几个甚至数几十个不同养殖池的水质参数进行监控，实现对养殖池的实时监控[1]。近年来，经过国内大量科学家的潜心研究，研究成果分为如下三类进行讨论。

1.1基于RS232／RS485网络协议的分布式控制系统

此类控制方法具有设备简单、通信距离远、低成本和开放性等优势，是早期水产养殖测控系统优先选择的设计模式[1]。

１．２基于现场总线技术的分布式控制系统

上海交通大学的池涛等人[2]设计了基于现场总显得现代化水产养殖基地智能监控系统，在每个育苗车间布置一个采样点，能够在线采集pH值、DO、温度、盐度、ORP、光照等6个传感器参数。但是本系统存在产品单一和价格昂贵的缺点。江苏大学的马丛国等人[3]采用Profibus和Internet技术相结合设计了多变量模糊前反馈解耦控制水产养殖过程智能监控系统，本系统实现了水产养殖过程的智能控制盒信息共享，系统实现了溶氧量、温度、pH值、水位等参数的采集和相应的闭环控制，实践证明其具有现实意义。

１．３基于无线网络的水产养殖监控系统国内外研究现状

南京工业大学的李新慧等人[4]开发了基于CC2530的水产养殖监控系统，本系统通过无线网络实现了传感器节点与协调器节点之间的数据准确传输，产品具有低功耗，完成参数采集、处理与显示。但其存在如下缺点，协调器与上位机之间的传输还是采用总线形式，从根本上说其还没有完成传感器组网，智能远程集散控制，同时其仅仅考虑了参数的采集，并没有形成闭环控制，需要人工完成养殖池参数调节。

2监控系统存在的问题及解决办法

2.1存在的问题

传统监控系统大多数为有线方式，大多数是采现场总线和集散控制总线等方式居多，随着科技的发展，无线监控方式也越来越多，但是他们也存在一些缺陷需要解决。

1）现场总线和集散控制方法具有布线繁琐，不利于系统布局变动和维护成本高，无法适应养殖场所规模的变化的现状。

2）现场总线和集散控制方法线路易被破坏和腐蚀，系统可靠性差、维护成本高，同时远程监控范围受限。

3）对于还未使用水质监控系统的养殖场，其成本高，对于一些交通不便的养殖场，需要检测人员长期驻守，耗费大量的人力和物力。

4）获得水质参数情况不及时，对于大型、分散的养殖场，要获取全部水质参数将花费大量时间，且水质参数的变化有时并不是一个积累的过程，再加上投放饲料、代谢等均会造成水质参数的变化，空气状态也影响养殖池环境的变化。

5）现有水产养殖水质监控系统没有考虑养殖废水处理问题、循环封闭养殖问题；且监控参数有限，无法准确反映养殖场内水质参数的变化。

2.2上述缺陷的解决办法

1）采用成本低廉、部署方便、组网灵活、覆盖面广的无线传感器网络监控系统，可以方便对养殖池水环境数据进行采集、传输、控制，同时易实现远程实时监控，满足集约化、网络化、数字化水产养殖方向。

2）采用Labview实现数据的实时采集和分析任务，Labview提供了强大的数学分析能力，可以更好的满足数据处理要求（相对于C程序来说），同时节省时间，修改方便。

3）数据集中器到中央控制器之间的传输采用GPRS方式完成，这样可以大量的节省电缆线，不限方便。

4）探讨封闭式循环水养殖技术，封闭式循环水养殖技术将将水处理净化与水产养殖技术充分结合，定期补充水量，基本不外排养殖废水。封闭式循环水养殖是近期全世界重点发展的应用现代工业技术的资源节约型养殖模式，具有高产、优质、高效、节能、环保的优点。

3无线检测系统设计

本检测系统主要包括数据采集器设计、执行器设计、养殖废水处理器设计、单养殖池控制系统设计及远程控制系统设计等部分。如图1所示，控制系统硬件由数据采集输入部分、执行器部分及废水处理节点3部分组成：数据采集输入部分主要完成溶氧量、温度、盐度、氨氮、pH值和水位等环境因子的检测，将系统实时采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的数字量和模拟量，并由计算机进行处理；执行器部分主要根据数据采集输入的信息的结果完成自动增氧、冷热水电磁阀门的开关、风机的转速、PH值电磁阀门的开关、供水出水阀门等，保持养殖池内水环境参数与理论设定值的参数一致；废除处理部分主要完成养殖池水的处理，使排放的养殖废水达到国家规定的标准，减少环境污染，同时研究养殖池水的循环利用。

图 1监控系统总体框图

3.1数据采集器节点设计

数据采集器是无线传感器网络的基本元素，不仅具有采集养殖池环境参数和良好的界面显示功能，还可以作为无线传感器网络的节点，如下图2所示。在数据采集器节点中，温度传感器、溶氧量传感器、PH值传感器、水位传感器、湿度传感器、氨氮传感器、盐度传感器等将采集到的模拟数据通过信号调理电路进行去干扰和电压整定，采用CC2530芯片内部集成的ADC转换器，将采集的模拟数据转换为系统能识别的数字数据，CC2530芯片的增强型8051处理器接收到ADC转换的数字信号后，在8051处理器中进行处理，将处理结果被送入CC2530芯片的Zigbee无线单元。该单元具有在zigbee网络内进行数据的发送与接收功能。图3所示为 CC2530控制器外部控制图。

图2数据采集器节点设计

图3CC2530控制器外部控制图

3.2执行器件节点设计

执行器件节点是无线传感器网络的基本元素之一，其既可以作为执行器件工作信号接收站，又可以作为无线传感器网络的节点。如下图4所示。将数据采集器采集的传感器水质参数与标准设定参数进行比较，当采集的参数偏离理论值时，8051控制器控制热水阀、冷水阀、水泵、酸性电磁阀、增氧机及碱性电磁阀工作。在控制模块与执行器模块之间采用光电隔离模块，从而避免强电对无线处理模块的干扰。设计中采用了5个I/O口作为控制信号，可以直接控制5路设备工作，根据具体实际情况，可以扩展I/O接口电路，从而控制更多的设备。

图4执行器件节点设计

3.3汇聚节点设计

汇聚节点在整个无线传感监控网络中起到一个承上启下的作用，在每个养殖池附近设置一处汇聚节点，将无线传感器节点传送回来的数据进行汇拢，再将汇拢处理的数据通过GPRS发送到远程监控中心。同时在汇聚节点的控制器对接收的数据进行处理，通过LCD实时显示在养殖池旁边，当数据值超过设定值后便启动报警装置报警，工作人员便于人为干预养殖池环境因子。

汇聚节点由一块CC2350芯片模块、电源模块、GPRS模块、显示装置、报警装置组成，CC2350芯片模块通过RS232总线与GPRS模块，汇聚节点的任务收集各个分散的簇头发送来的无线数据信号，进行解调，最终上传给监控中心的计算机，如图5所示。

根据算法运算得到控制信号，下传给各个控制节点。然后控制节点根据控制信号去驱动继电器或者D/A转换器，从而使执行机构运动，达到养殖池水体环境因子的闭环控制。

图5汇聚节点设计

3.4 远程监控中心设计

在远程监控中心处有一个与汇聚节点配对的GPRS模块，此处的GPRS模块接收数据，通过串口上传给上位机，上位机对采集的数据进行实时处理，根据处理结果进行显示、报警、存储等。

监控中心计算机监控软件采用LABVIEW语言编写，直接调用Labview函数，具有编码灵活、界面美观、操作简单、扩展性好、数学处理能力强等优点。监控软件实时显示PH值、溶氧量、温度的参数数值，并以数值的形式实时显示，且能以曲线的形式表达某段时间的数据。采用PID算法对数据进行处理，得到控制信号，并自动进行报警。

4总结

本监控系统通过自动监控养殖环境的变化，以降低电力消耗和人工操作难度，实时改善养殖环境，降低水产品（鱼类、虾类、蟹类等）疾病所造成的损失，减少死亡率。做到通过对水质的监控、调节来改善水产养殖环境的目的。 通过机电技术控制增氧机、水泵、电磁阀门等机械设备，自动调节养殖水域的含氧量、盐度、氨氮含量、水循环及温度变化，使得养殖水域水质因子适合养殖物得得生长，加速水中物质的分解和循环。通过化学水处理技术调节水域含氮量、PH值等参数，控制单细胞藻类数量以改变水质，增加水产品产量，减少水中污染物的向外排放。本文采用单片机和Zigbee设计了无线智能监控系统，将Zigbee技术与GPGS/GSM通信技术融合，将采集数据的分析结果直接发到智能手机终端，让养殖户能随时随地掌握养殖池的实际情况。本监控系统可以应用于工厂化水产养殖中，为水产养殖的高产量、大规模、低成本、低能耗、高质量的目标提供技术支持。

【参考文献】

［１］刘星桥.水产养殖数字化监测与控制系统关键技术的研究[D].江苏大学，2009，6．

［２］池涛，陈明.基于现场总线的现代化水产养殖基地智能监控系统[J].机电一体化，2009(9):37-37.

［３］马从国，赵德安，秦云，等.基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统[J].农业机械学报，2007，38(8):113-119.

［４］李新慧,俞阿龙,潘苗.基于CC2530的水产养殖监控系统设计[J].传感器与微系统，2013，32(3):85-88.

［责任编辑：薛俊歌］

【摘要】养殖户可以通过对水质的检测掌握水产品是否处于最佳的生存环境，从而对水质作出相应的调整，使水产品生长在最佳水质中。本文采用单片机和Zigbee设计了无线智能监控系统，将Zigbee技术与GPGS/GSM通信技术融合，将采集数据的分析结果直接发到智能手机终端，让养殖户能随时随地掌握养殖池的实际情况。本监控系统可以应用于工厂化水产养殖中，为水产养殖的高产量、大规模、低成本、低能耗、高质量的目标提供技术支持。

【关键词】水产养殖环境；无线网络；智能监控系统

1水产养殖监控系统研究现况

水产养殖业正从分散式、个体式养殖向着集约化、工厂化、智能化、产业化模式方向升级，导致水产养殖工厂内有着大量的水产养殖池，往往能达到几十个，这样的情况下，要想人工去监测各个养殖池内的水质参数，将非常慢且耗力大，因此分散监测，集中操作，分级管理的控制模式将解决这一问题，同时对几个甚至数几十个不同养殖池的水质参数进行监控，实现对养殖池的实时监控[1]。近年来，经过国内大量科学家的潜心研究，研究成果分为如下三类进行讨论。

1.1基于RS232／RS485网络协议的分布式控制系统

此类控制方法具有设备简单、通信距离远、低成本和开放性等优势，是早期水产养殖测控系统优先选择的设计模式[1]。

１．２基于现场总线技术的分布式控制系统

上海交通大学的池涛等人[2]设计了基于现场总显得现代化水产养殖基地智能监控系统，在每个育苗车间布置一个采样点，能够在线采集pH值、DO、温度、盐度、ORP、光照等6个传感器参数。但是本系统存在产品单一和价格昂贵的缺点。江苏大学的马丛国等人[3]采用Profibus和Internet技术相结合设计了多变量模糊前反馈解耦控制水产养殖过程智能监控系统，本系统实现了水产养殖过程的智能控制盒信息共享，系统实现了溶氧量、温度、pH值、水位等参数的采集和相应的闭环控制，实践证明其具有现实意义。

１．３基于无线网络的水产养殖监控系统国内外研究现状

南京工业大学的李新慧等人[4]开发了基于CC2530的水产养殖监控系统，本系统通过无线网络实现了传感器节点与协调器节点之间的数据准确传输，产品具有低功耗，完成参数采集、处理与显示。但其存在如下缺点，协调器与上位机之间的传输还是采用总线形式，从根本上说其还没有完成传感器组网，智能远程集散控制，同时其仅仅考虑了参数的采集，并没有形成闭环控制，需要人工完成养殖池参数调节。

2监控系统存在的问题及解决办法

2.1存在的问题

传统监控系统大多数为有线方式，大多数是采现场总线和集散控制总线等方式居多，随着科技的发展，无线监控方式也越来越多，但是他们也存在一些缺陷需要解决。

1）现场总线和集散控制方法具有布线繁琐，不利于系统布局变动和维护成本高，无法适应养殖场所规模的变化的现状。

2）现场总线和集散控制方法线路易被破坏和腐蚀，系统可靠性差、维护成本高，同时远程监控范围受限。

3）对于还未使用水质监控系统的养殖场，其成本高，对于一些交通不便的养殖场，需要检测人员长期驻守，耗费大量的人力和物力。

4）获得水质参数情况不及时，对于大型、分散的养殖场，要获取全部水质参数将花费大量时间，且水质参数的变化有时并不是一个积累的过程，再加上投放饲料、代谢等均会造成水质参数的变化，空气状态也影响养殖池环境的变化。

5）现有水产养殖水质监控系统没有考虑养殖废水处理问题、循环封闭养殖问题；且监控参数有限，无法准确反映养殖场内水质参数的变化。

2.2上述缺陷的解决办法

1）采用成本低廉、部署方便、组网灵活、覆盖面广的无线传感器网络监控系统，可以方便对养殖池水环境数据进行采集、传输、控制，同时易实现远程实时监控，满足集约化、网络化、数字化水产养殖方向。

2）采用Labview实现数据的实时采集和分析任务，Labview提供了强大的数学分析能力，可以更好的满足数据处理要求（相对于C程序来说），同时节省时间，修改方便。

3）数据集中器到中央控制器之间的传输采用GPRS方式完成，这样可以大量的节省电缆线，不限方便。

4）探讨封闭式循环水养殖技术，封闭式循环水养殖技术将将水处理净化与水产养殖技术充分结合，定期补充水量，基本不外排养殖废水。封闭式循环水养殖是近期全世界重点发展的应用现代工业技术的资源节约型养殖模式，具有高产、优质、高效、节能、环保的优点。

3无线检测系统设计

本检测系统主要包括数据采集器设计、执行器设计、养殖废水处理器设计、单养殖池控制系统设计及远程控制系统设计等部分。如图1所示，控制系统硬件由数据采集输入部分、执行器部分及废水处理节点3部分组成：数据采集输入部分主要完成溶氧量、温度、盐度、氨氮、pH值和水位等环境因子的检测，将系统实时采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的数字量和模拟量，并由计算机进行处理；执行器部分主要根据数据采集输入的信息的结果完成自动增氧、冷热水电磁阀门的开关、风机的转速、PH值电磁阀门的开关、供水出水阀门等，保持养殖池内水环境参数与理论设定值的参数一致；废除处理部分主要完成养殖池水的处理，使排放的养殖废水达到国家规定的标准，减少环境污染，同时研究养殖池水的循环利用。

图 1监控系统总体框图

3.1数据采集器节点设计

数据采集器是无线传感器网络的基本元素，不仅具有采集养殖池环境参数和良好的界面显示功能，还可以作为无线传感器网络的节点，如下图2所示。在数据采集器节点中，温度传感器、溶氧量传感器、PH值传感器、水位传感器、湿度传感器、氨氮传感器、盐度传感器等将采集到的模拟数据通过信号调理电路进行去干扰和电压整定，采用CC2530芯片内部集成的ADC转换器，将采集的模拟数据转换为系统能识别的数字数据，CC2530芯片的增强型8051处理器接收到ADC转换的数字信号后，在8051处理器中进行处理，将处理结果被送入CC2530芯片的Zigbee无线单元。该单元具有在zigbee网络内进行数据的发送与接收功能。图3所示为 CC2530控制器外部控制图。

图2数据采集器节点设计

图3CC2530控制器外部控制图

3.2执行器件节点设计

执行器件节点是无线传感器网络的基本元素之一，其既可以作为执行器件工作信号接收站，又可以作为无线传感器网络的节点。如下图4所示。将数据采集器采集的传感器水质参数与标准设定参数进行比较，当采集的参数偏离理论值时，8051控制器控制热水阀、冷水阀、水泵、酸性电磁阀、增氧机及碱性电磁阀工作。在控制模块与执行器模块之间采用光电隔离模块，从而避免强电对无线处理模块的干扰。设计中采用了5个I/O口作为控制信号，可以直接控制5路设备工作，根据具体实际情况，可以扩展I/O接口电路，从而控制更多的设备。

图4执行器件节点设计

3.3汇聚节点设计

汇聚节点在整个无线传感监控网络中起到一个承上启下的作用，在每个养殖池附近设置一处汇聚节点，将无线传感器节点传送回来的数据进行汇拢，再将汇拢处理的数据通过GPRS发送到远程监控中心。同时在汇聚节点的控制器对接收的数据进行处理，通过LCD实时显示在养殖池旁边，当数据值超过设定值后便启动报警装置报警，工作人员便于人为干预养殖池环境因子。

汇聚节点由一块CC2350芯片模块、电源模块、GPRS模块、显示装置、报警装置组成，CC2350芯片模块通过RS232总线与GPRS模块，汇聚节点的任务收集各个分散的簇头发送来的无线数据信号，进行解调，最终上传给监控中心的计算机，如图5所示。

根据算法运算得到控制信号，下传给各个控制节点。然后控制节点根据控制信号去驱动继电器或者D/A转换器，从而使执行机构运动，达到养殖池水体环境因子的闭环控制。

图5汇聚节点设计

3.4 远程监控中心设计

在远程监控中心处有一个与汇聚节点配对的GPRS模块，此处的GPRS模块接收数据，通过串口上传给上位机，上位机对采集的数据进行实时处理，根据处理结果进行显示、报警、存储等。

监控中心计算机监控软件采用LABVIEW语言编写，直接调用Labview函数，具有编码灵活、界面美观、操作简单、扩展性好、数学处理能力强等优点。监控软件实时显示PH值、溶氧量、温度的参数数值，并以数值的形式实时显示，且能以曲线的形式表达某段时间的数据。采用PID算法对数据进行处理，得到控制信号，并自动进行报警。

4总结

本监控系统通过自动监控养殖环境的变化，以降低电力消耗和人工操作难度，实时改善养殖环境，降低水产品（鱼类、虾类、蟹类等）疾病所造成的损失，减少死亡率。做到通过对水质的监控、调节来改善水产养殖环境的目的。 通过机电技术控制增氧机、水泵、电磁阀门等机械设备，自动调节养殖水域的含氧量、盐度、氨氮含量、水循环及温度变化，使得养殖水域水质因子适合养殖物得得生长，加速水中物质的分解和循环。通过化学水处理技术调节水域含氮量、PH值等参数，控制单细胞藻类数量以改变水质，增加水产品产量，减少水中污染物的向外排放。本文采用单片机和Zigbee设计了无线智能监控系统，将Zigbee技术与GPGS/GSM通信技术融合，将采集数据的分析结果直接发到智能手机终端，让养殖户能随时随地掌握养殖池的实际情况。本监控系统可以应用于工厂化水产养殖中，为水产养殖的高产量、大规模、低成本、低能耗、高质量的目标提供技术支持。

【参考文献】

［１］刘星桥.水产养殖数字化监测与控制系统关键技术的研究[D].江苏大学，2009，6．

［２］池涛，陈明.基于现场总线的现代化水产养殖基地智能监控系统[J].机电一体化，2009(9):37-37.

［３］马从国，赵德安，秦云，等.基于现场总线技术的水产养殖过程智能监控系统[J].农业机械学报，2007，38(8):113-119.

［４］李新慧,俞阿龙,潘苗.基于CC2530的水产养殖监控系统设计[J].传感器与微系统，2013，32(3):85-88.

［责任编辑：薛俊歌］